激光与物质相互作用综述分析毕业设计

1、安徽工业大学 本科毕业设计(论文)任务书 课题名称 激光与物质相互作用分析 学 院 专业班级 姓 名 学 号 毕业设计(论文)的主要内容及要求： 主要内容： 研读激光与物质相互作用论文，对激光加热，应力损伤，加工等过程进 行学习分析，完成论文归纳总结。 本论文主要是研读激光与物质相互作用的书籍和文献，对激光加热，应 力损伤，加工等过程进行学习分析，通过对自己的学习分析，总结激光在加 工上的原理及应用，并完成论文的归纳总结 。 要求：1.具有查阅相关文献的能力； 2.完成激光在不同方向应用的相关归纳总结工作； 3.对所查阅文献 进行分析整理，完成相关 工作，学生需自备计 算机。 指指导导教教师师

2、签签字字： 激光与物质相互作用综述分析 摘摘 要要 本文主要讲激光与物质热效应和激光对物质的加工 ,以及此过程中产生 的热应力。回顾近代的科技发明，激光器的诞生无疑是一个的亮点，激光以 其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后，推动人类科学技术进入新的发 展阶段。激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工 过程，将激光束照射到工件的外表，以激光的高能量来切除、熔化质料以及 转变物体外表性能。而且激光束的能量和光束的移动速率均可调治，所以激 光加工可应用于任意层面和领域上。由于激光加工热影响区域小，光束方向 性好，几乎可以加工任何材料。由于激光加工的特殊特点，其发展前景广阔， 目前

3、已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工， 快速成形，激光钻孔和基板划片，半导体处理等。激光几乎能适应任何材料 的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制 造方面起着无可替代的作用。而且 激光因具有单色性、相干性和平行性三大 特点，特别适用于材料加工。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工 对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加 工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已 成为企业实行适时生产的关键技术， 与此同时，激光加工过程中产生的热应 力损伤和能量转换效率问题也会给生产带来一定困扰。本文分别

4、从激光加工 技术的原理及其应用综合品评了激光加工较传统加工技术的优劣性,说明其 在制造行业中的作用。 关关键键词词：激光加热 激光加工 焊接 打孔 切割 a ab bs st tr ra ac ct t this article is mainly about the laser and the material thermal effects and laser material processing, and this thermal stress generated in the process. recalling modern technological inventions, th

5、e birth of the laser is undoubtedly one of the highlights, the laser is its unparalleled technical advantages following microelectronics technology, science and technology to promote human development into a new phase. laser processing is the use of a laser beam is projected onto the surface of the

6、material to complete the effect of heat generated during processing, the laser beam is irradiated to the workpiece appearance, with high-energy laser to cut, the molten material and the appearance properties of the object changes. and the laser beam energy and beam moving speed can be modulating, th

7、e laser processing can be applied to any level and areas. because the laser processing heat affected zone is small, light, good direction, almost any material can be processed. as a special feature of laser processing, and its development prospects, has been widely used in laser welding, laser cutti

8、ng, surface modification, laser marking, cutting, rapid prototyping, laser drilling and dicing the substrate, a semiconductor processing. laser can adapt to almost any material, processing and manufacturing, especially in some special accuracy and requirements, special occasions and special material

9、s processing and manufacturing plays an irreplaceable role. and because the laser has a monochromatic coherent and parallelism three characteristics, especially for materials processing. controlling the laser space and time controlled well, the material of the object to be processed, shape, size and

10、 processing environment of freedom are large, especially suitable for automated processing. laser processing systems and computer numerical control technology combined with efficient automated processing equipment may constitute, timely production enterprises have become the key technology, at the s

11、ame time, laser processing thermal stress generated in the process and energy conversion efficiency of injury problems will bring to production certain problems. this paper from the laser processing technique and its application of integrated tasting laser processing advantages and disadvantages com

12、pared to traditional processing techniques, indicating its role in the manufacturing industry. keywords: laser heating, laser processing, welding, drilling, cutting 目目 录录 第 1 章 绪 论 .7 1.1 激光与物质相互作用 综述简述 .8 1.2 课题的来源 .8 1.3 本课题的研究思路与研究方法 .9 1.4 本章小结.10 第 2 章 激光加热物质 .11 2.1 加热原理.11 2.2 激光热蒸发 .12 2.3 物

13、质的熔化与汽化 .13 2.3 激光等离子体屏蔽现象 .14 2.4 本章小结.14 第 3 章 激光与物质作用的热应力.15 3.1 激光与物质作用热应力的定义 .15 3.2 产生热应力的原因 .15 3.3 热应力的主要特点 .15 3.4 热应力的计算 .15 3.5 热应力损伤 .18 3.5 本章小结.18 第 4 章 激光加工 .19 4.1 激光切割 .19 4.1.1 激光切割原理 .19 4.1.2 激光切割的分类 .19 4.1.3 激光切割的特点 .20 4.1.4 激光切割的应用 .21 4.2 激光焊接 .21 4.2.1 激光焊接原理 .22 4.2.2 激光焊接

14、分类 .24 4.3.3 激光焊接优点和局限性 .24 4.3.4 激光焊接应用 .25 4.3 激光打孔 .27 4.3.1 激光打孔原理 .27 4.3.2 激光打孔分类 .27 4.3.3 激光打孔特点 .28 4.3.4 激光打孔应用 .31 4.4 本章小结 .31 第 5 章 总结与展望 .32 5.1 课题的总结 .32 5.2 课题的展望 .32 致谢 .33 参考文献 .34 附录 1 英文原文 .36 附录 2 英文翻译 .44 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 1. .1 1 激激光光与与物物质质相相互互作作用用综综述述简简述述 激光与物质相互作用综述，主要是 研读激光

15、与物质相互作用 的书籍 和文献，对激光加热，应力损伤，加工等过程进行学习分析，通过对相关 书籍和文献的学习，总结激光在加工上的原理及应用。 1 1. .2 2 课课题题来来源源 作为 20 世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支 柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。激光加 工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是 kw 级到 10kw 级 co2激光器和百瓦到千瓦级 yag 激光器实现对各种材料的切 割、焊接、打孔、刻划和热处理等。 如下图，激光加工的一些实例： 图 1-1.激光加工出来的工艺品 图 1-2.激光在钢板打孔 图

16、1-3.激光切割工程图 激光加工应用领域中， co2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到 70%和 20%，表面处理则不到 10%。而 yag 激光器的应用是以焊接、标记 （50%）和切割（ 15%）为主。在美国和欧洲 co2激光器占到了 7080%。我 国激光加工中以切割为主的占 10%，其中 98%以上的 co2激光器，功率在 1.5kw2kw 范围内，而以热处理为主的约占 15%，大多数是进行激光处理汽 车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场 前景 1 1- -2 2 。如下图，工业用稳定激光器： 图 1-4.适用性能高及稳定的激光加工器 在汽车工业中，激光加

17、工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工 特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了 样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂 而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为 标准工艺，日本 toyota 已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同 表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不 如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、 换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机 数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅 可以快

18、速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具 3 3 ， 如下图，激光加工打标机： 图 1-5.汽车加工激光打标机 80 年代，yag 激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越 大作用。通常认为 yag 激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度， 但在切割速度上受到限制。随着 yag 激光器输出功率和光束质量的提高而被 突破。yag 激光器已开始挤进 kw 级 co2激光器切割市场。 yag 激光器特别 适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密 封继电器等。 yag 激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用 4 4- -5 5 ，如下图， yag

19、 激光器加工出来的部件： 图 1-6.yag 激光器加工出来的部件 目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工 等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用yag 激光器的平均输出 功率已由 5 年前的 400w 提高到了 800w 至 1000w。打孔峰值功率高达 3050kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参 数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的 应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚 石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中 ，如下图，激光加工出来的工艺 品： 图 1-7.激光打孔技术加工出

20、来的工艺品 所以对于应用越来越广泛的激光加工技术， 国内很多企业都在开发新 一代工业激光器及其应用装备 ，随着中国由制造业大国向制造业强国转变， 激光加工技术越来越受到制造业的重视，国内大型、重型企业也越来越关注 激光加工设备的进展， 对激光加工的研究就非常有意义 6 6 。 1 1. .3 3 本本章章小小结结 本章主要介绍课题的大概范围和课题来源，也包括激光加工在国内外的 发展情况，从而引出课题，确定本课题的研究的方向，继而展开下面具体的 论述。 第第 2 2 章章 激激光光与与物物质质作作用用的的热热效效应应原原理理 激光加工就是以激光为热源对工件进行热加工 ，所以无论是哪一种激 光加工

21、的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质 相互作用。如图，激光束投射到物质表面： 图 1-8.激光束投射到物质表面 由于激光的高能量特性 ，激光束在材料的热处理、 焊接、 切割、 加工等方面应用广泛。激光加热物体时，物体产生的热学与力学效应有升温 、 熔化、 汽化 、 破坏等 分析激光对物体的热力学效应，在理论计算 中由于热传导方程的复杂性， 往往要假定半无限大介质平板，与外界无热 交换的绝热边界条件 ， 物体的热传导系数、 比热容、 密度、 物体对 激光的吸收系数不随温度而变等苛刻条件 2 2. .1 1 物物质质对对激激光光的的吸吸收收 激光热加工时，首先发生的是材料对

22、激光能量的吸收。对材料起加热作 用的主要是透入材料内部的光能，而且不同材料对不同波长激光吸收率不同。 假设材料表面反射率为 r，则吸收率为 （2.1.1）ra1 当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，则有反射率为 2 2 2 1 2 2 2 1 2 ) 1( ) 1( 1 1 nn nn n n r （2.1.2） 2 2. .2 2 物物质质的的加加热热 假设入射激光束的光功率密度为 qi，材料表面吸收的光功率密度为 q0 ，则有 （2.2.1） )1 ( 0 raqq i 激光从表面入射到材料内部深度 z 处的光强为，一般我们 az eqzq 0 )( 将激光在材料内的穿透深

23、度定义为光强降至i0/e 时的深度，则可得穿透深 度为 1/a 。 为了得到加热阶段的温度分布，则须求解热传导微分方程，对于各向同性的 均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为: （2.2.2）),()()()(zyxq z t zy t yx t xt t c ttti 如果光功率的损耗全部变成热量，则有 （2.2.3）),(),(tzyxqtzyxq 从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过 程中激光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程 的求解十分困难 ,但是可以简化一下：如果半无限大（即物体厚度无限大） 物体表面受到均匀的激光垂直照射加

24、热，被材料表面吸收的光功率密度不随 时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热 和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定 （2.2.4） t r ap t 0 ), 0( 如果光照时间为有限长 (s)，考察点离开表面的距离 (cm)也不为零，此 时圆形激光光斑中心轴线上考察点的温度为 ) 22 ( 2 ),( 2 0 2 2 0 kt rz ierfc kt z ierfc kt r ap tzt t （2.2.5） 进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为， 则激光光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为 )exp()( 2

25、2 0 r ss r qrq （2.2.6） 持续加热得到光斑中心的温度最大值为 t rs aq t 2 3 0 2 ), 0 , 0( （2.2.7） 2 2. .3 3 物物质质的的熔熔化化与与汽汽化化 激光加工时功率密度过高，材料会在表面汽化，不在深层熔化；激光加 工功率密度过低，能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小。 在激光深熔焊接中，金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的 时间内升高到沸点，此时金属会熔化并立即汽化，如图： 图 2-1.激光加热导致的物质熔融 2 2. .4 4 激激光光等等离离子子体体屏屏蔽蔽现现象象 激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激

26、光能量，使温度升高， 最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过 程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合 7 7 。如下图： 图 2-2.激光产生的等离子体屏蔽现象 2 2. .5 5 本本章章小小结结 本章主要讲了激光与物质作用的原理，从物质对激光的吸收和物质的加 热两个方面讲述了激光如何与物质进行热作用的，为下面的激光在现实中的 应用打下理论基础。 第第 3 3 章章激激光光与与物物质质作作用用的的热热应应力力 3 3. .1 1激激光光与与物物质质作作用用热热应应力力的的定定义义 所谓热应力，是指 半成品干燥和烧成热加工中由于温差作用而产

27、生的一 种应力.激光加工过程中被加热的物质热膨胀然后迅速冷却到低温收缩而产生 的内应力就是激光与物质作用的热应力。在很多地方，热应力又称为温度应 力，只要有温度变化，就会产生材料内部热应力的变化。 3 3. .2 2产产生生热热应应力力的的原原因因 (1)结构体构件的热膨胀或收缩受到外界约束 。 (2)结构体构件之间的温差 。 (3)结构体内某一构件中的温度梯度 。 (4)线膨胀系数不同材料的组合。 (5)材料内部夹杂。 (6)材料的各向异性。 3 3. .3 3热热应应力力的的主主要要特特点点 热应力随约束程度的增大而增大。由于材料的线膨胀系数、弹性模量与 泊桑比随温度变化而变化，热应力不仅

28、与温度变化量有关，而且受初始温度 的影响。 热应力与零外载相平衡， 是由热变形受约束引起的自平衡应力，在温 度高处发生 压缩，温度低处发生拉伸形变。 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低。对于塑性材 料，热应力不会导致构建断裂，但交变热应力有可能导致构建发生疲劳效应 或塑性变形累积。 3 3. .4 4 热热应应力力的的计计算算 当物体温度发生变化时，物体将由于膨胀而产生线应变t，其中 为材料的线膨胀系数， t 表示弹性体内任意点的温度改变值 (从整个物体处 于初始均匀温度状态算起 )。在平面问题中，它是坐标 x、y 及时间 t 的函 数。如果物体各部分的热变形不受任何约束，则虽

29、有变形却不会引起应力。 但是，如果物体各部分的温度不均匀，或表面与其他物体相联系，即受到一 定的约束，热变形不能自由地进行，就将产生应力。 热应力问题与一 般应力分析问题相比较，主要是应力一应变关系上稍有差别。如果考虑到热 应力物理方程将具有以下形式： 0 d （3.4.1） 其中，0为由于温度变化引起的变形 （3.4.2） t t000111 0 式中， 为材料的线膨胀系数， t 为温度的变化。 将式代入即可写成： （3.4.3） e b)( 0 e bd 对于平面应力问题，其中 t t011 0 对于平面应变问题，其中 t t011)1 ( 0 于是，如果考虑到热应力，弹性体内应力的虚应变

30、能将为 * 0 ( ) te dbtdxdy tdxdydbtdxdybdb tett ()( 0 * （3.4.4） 代入最小势能原理的表达式，应当是 （3.4.5） tdxdydbtdxdybdbf tete 0 也即是： （ ete ktdxdydbf 0 3.4.6） 上式左边第二项是由于考虑温度变化而增添出来的，它在上式中是处于节点 力的地位，相 当于考虑温度变化而施加于节点的一个假想的等效节点力，称为热载荷 tdxdytdbh te 0 （3.4.6） 对于平面应力问题将式代入得 t t011 0 tdxdytdbh t te 011 （3.4.7） 将= (i,j,m) i b

31、2 1 ii i i bc c b 0 0 和平面应力弹性矩阵 代入上式，得 2 1 00 1 1 1 2 称 对 e d tdxdycbcbcb te h t mmjjii e )1 (2 （3.4.8） 如果温度 t 的分布函数为已知时，上式中的积分总可用数值积分求得。特别 是当 t 是 x,y 的多项式时，则容易写出精确积分的表达式。对于为线性分 布时，则有 （3.4.9） )( 3 1 mji ttttdxdy 其中、分别为节点 i,j,m 处的温度。在此情况下，热应力的等效 i t j t m t 节点载荷列阵为 t mmjjii mji e cbcbcb tttte h )1 (6

32、 )( （3.4.10） 根据节点位移计算单元应力就有 tmji e ttte bd011 )1 (3 )( （3.4.11） 对于平面应变问题的公式 ，只要在平面应力问题的公式中用代替)1/( 2 e ，e)1/( 代替以及替便可得到。经过这样的替换以后，等效节点热载荷的)1 ( 公式为： t mmjjii mji e cbcbcb tttte h )21 (6 )( （3.4.12） 应力的公式为 tmji e ttte s011 )21 (3 )( （3.4.13） 3 3. .5 5热热应应力力损损伤伤 当被加热的物质经过反复加热和冷却时，其内部就会产生交变热应力，在 此交变热应力的反

33、复作用下，特别是一些金属零部件，会产生热疲劳现象，从 而导致裂纹萌生和扩展；激光加工过程中也会有热量的交替变换，所以会使被 加工的材料产生应力损伤。如图所示： 图3-1.高温热疲劳 20次后的组织 图 3-1 为热疲劳后的显微组织照片。从照片可知， 热疲劳后还出现 了微孔洞。此外， 因循环中的热应力和相含量改变带来的体积内应力， 使得位错、 孪晶等生成的几率增加。合金的电阻增加正是由于这些变化引 起的， 此外， 出现的微孔洞、 晶粒内和相界处的损伤， 都将减少材料 的有效承载面积， 也使原子间结合力减弱， 最终将导致弹性模量的下降， 从而使弹性模量表征的损伤量增大，出现应力损伤的现象 8 8

34、。 3 3. .6 6本本章章小小结结 本章主要讲了激光与物质作用的过程中的热应力方面的知识，对物质与 激光热作用中的热效应的定义和原理，以及热效应的特点都进行了介绍，最 后分析了热应力的计算方法和热应力对加工物体造成的损伤，为下文激光在 现实加工过程中会出现的热应力损伤打下理论基础。 第第 4 4 章章 激激光光加加工工 4 4. .1 1：激激光光切切割割 4.1.1激光切割原理 激光切割是利用聚焦后的高功率密度的激光束照射工件材料表面，在极 短时间内将光斑区的温度迅速升高到材料的熔点或沸点，致使材料迅速熔化 或汽化。当激光束沿着设定路径移动时，激光聚焦光斑与材料不断地相互作 用，形成所需

35、的割缝。另外在激光切割过程中，利用辅助气体可起到助切、 吹渣和冷却的作用 9 9 。 原理如下图所示： 图 4-1.激光切割原理图 4.1.2 激光切割的分类 （1）汽化切割 利用一定功率密度的激光束照射工件表面，使照射区迅速被加热到材料 的汽化温度（沸点），部分材料以蒸汽形式逸去，形成割缝，功率密度一般 为 108w/cm2 数量级。 如下图： 喷嘴 辅助气体 无法即时切 断造成斜角 熔渍 图 4-2.激光切割 （2）熔化切割 利用一定功率密度的激光加热工件使之熔化，形成孔洞，同时依靠与光 束同轴的非氧化性辅助气流吹除孔洞内的熔融物，形成割缝，其功率密度约 为汽化切割的 1/10。 （3）氧

36、助熔化切割 当激光将工件加热至其燃点时，借助氧气等活性气体使材料燃烧，燃烧 反应放出热量，与激光能量一起切割材料。如图所示： 图 4-3.激光助氧熔化切割 （4）控制断裂切割 通过激光束加热，易受热破坏的脆性材料局部产生热梯度，随之引起严 重的机械变形和高的机械应力，使材料被切断，形成割缝 1 10 0- -1 11 1 。 4.1.3 激光切割的特点 与常规切割方法相比，激光切割主要特点是切割质量好，切割速度快， 清洁、安全、无污染。具体表现为： （1）与其他热切割方法相比，激光束能集中在极小区域，切缝窄，精度 高，切口表面粗糙度小，热影响区小、变形小，激光能切割非金属，其他的 热切割则不能

37、。 （2）与机械冲压加工相比，激光切割过程中只需要定位、不需要夹紧， 无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件，所以没有经常性磨刃和更换等 困难，如图所示，激光的无冲压切割： 图 4-4.激光切割工程图 （3）切割范围广。加工对象有各种金属、非金属材料。 （4）切割效率高。 （5）节省材料（约 1530%）。 （6）切割环境好，没有强辐射、噪音和污染等。 4.1.4 激光切割的应用 目前，激光切割技术已广泛应用于各种轻、重工业，如电子、汽车、航 空航天、军工等，还应用到医学、通讯，甚至娱乐业。激光切割的适用对象 主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及 精密细小和形状复

38、杂的零件。激光切割不仅适用于碳钢、不锈钢、铝合金、 钛合金等金属材料，还适用于木材、塑料等有机材料，特别适合于石英、陶 瓷等硬、脆的无机材料。除此之外，还可以切割部分复合材料 1 12 2 。 4 4. .2 2. .激激光光焊焊接接 4.2.1 激光焊接原理 激光焊接的基本过程是 使用经光学系统聚焦后具有高功率密度的激光束 照射到焊接材料表面，利用材料对光能的吸收来对其进行加热、熔化，再经 过冷却结晶而形成焊接接头的一种熔化焊过程 1 13 3 。 按激光器输出能量的方式不同，激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊， 按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。如图， 激光焊接的

39、原理： 图 4-5.激光焊接示意图 4.2.2 激光焊接分类 1）激光传热焊 采用的激光器光斑上的功率密度小于105w 时，激光将金属表面加热到 熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，是 金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔 化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，近似形成一个半球形的其熔深轮廓。 （由于激光光斑上的功率密度小，而且很大一部分光被金属表面所反射， 光的吸收率较低，所以材料表面温度只能达到材料的汽化温度，焊接熔深浅， 焊接速度慢，这种加热方法受到材料汽化温度和热导率的限制，主要用于薄 (1mm 左右)、小零件的焊接加工。） 2）

40、激光深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时（大于等于106w/cm2）,金属在激光的照 射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，是金属熔化和汽 化。当金属汽化时，所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的 溢出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激 光光斑下产生一个凹坑。当光束在小孔底部继续加热汽化时，所产生的金属 蒸汽一方面压迫坑底的液态金属是小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出 的蒸汽将熔化的的金属挤向熔池四周。这个过程连续进行下去，便在液态金 属中形成一个细长的空洞。当光束能力所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态 金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再

41、继续加深，形成一个深度稳定的孔 而进行焊接，因此称之为激光深熔焊 1 14 4 。 图 4-6.激光深熔焊原理图 （激光焊过程中还会产生 小孔效应、等离子体屏蔽效应、等离子体的负 面效应、壁聚焦效应、净化效应） 4.2.3 激光焊接的优点和局限性 一、优点： 1、速度快、深度大、变形小，焊件的热变形很小，可以进行精确地焊接， 焊接无需刚性夹紧。 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电 磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能 通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接 1 15 5 。 3、可焊接难熔材料如钛、石英，效果良好。 4、可进行微型焊接

42、。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可 应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中 1 16 6 。如下图所示，激光 焊接加工的微型器械： 图 4-7.激光焊接医疗穿刺针 5、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活 性。尤其是近几年来，在 yag 激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激 光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用 1 17 7 。 6、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位 加工，为更精密的焊接提供了条件 18 18 。 二、局限性： 1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这 是因为激光聚焦后光斑尺雨

43、寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精 度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，设备昂贵，一次性投资较大。 3、焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击 的焊点对准。 4、最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm 的工件，生产线上不 适合使用激光焊接。 4、高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所 改变。 5、当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔 池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。 6、能量转换效率太低，通常低于 10%。 7、焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑 4.2.4

44、 激光焊接的应用 1.激光焊接在汽车工业中的应用 在车身激光焊接方面： 汽车工业中的在线激光焊接大量用在车身冲压零 件的装配和连接上；主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架 激光焊接。另一项比较重要的车身激光焊接应用 ,是车身结构件（包括车门、 车身侧围框架及立柱等）的激光焊接。 在不等厚激光拼焊板上： 车身制造 采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及 降低成本。 在齿轮及传动部件焊接方面：主要用于 齿轮激光焊接、车轮钢 圈激光焊接，能有效提高生产能力，而且焊缝热影响区小，生产效率高 1 19 9- - 2 20 0 。如下图： 图4-8.激光在汽车工业中

45、的无缝焊接 2.光纤激光焊在造船及海洋工程方面的应用 目前,轮船都是先制造出许多独立的局部组件结构单元 ,再在水中的船 台上一个个进行组装。采用激光焊技术制造海洋建筑物局部组件非常合适,因 为它结合了焊接切割自动化技术与激光技术。与弧焊方法相比,采用该技术 可以大大提高生产率 2 21 1- -2 22 2 。 3 .激光焊在飞机制造中的应用 主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接,以保证气动面的 外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术,如腹鳍 和襟翼的翼盒 ,结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成,而是 应用了先进的钣金成形技术后 ,采闲激光焊接技术在三维

46、空间完成焊接拼合 , 不仅产品质量好 ,生产效率高 ,而且工艺再现性好 ,减重效果明显。近年来激 光焊也多见于薄壁零件的制造中 ,如进气道、波纹管、输油管道、变截面导 管和异型封闭件 2 23 3 。如下图： 图4-9.以激光焊接连接代替的飞机铆 4.复合激光焊的应用 复合激光焊技术结合了激光焊和传统气体保护焊两者的优点,激光焊 能在较小的热输入量和小的焊接热影响区情况下获得较大的熔深；所附加的 气保焊可以大大扩展接头根部间隙的大小 ,改善表面状态和杂质的允许量； 提高根部间隙填充和成形质量以及加强对焊接冶金的控制 2 24 4- -2 25 5 。如下图， 激光焊接的各种样件： 图4-10.

47、激光焊接的各种样件 5. 激光焊在医学上的应用 激光焊是用激光来加热 , 所以它可以穿透透明介质 , 能够焊到透明介质 容器的里边去。这种方法也被利用到医学里边 ,如患者视网膜脱落 ,视网膜 是在眼球的后面 ,视网膜脱落以后眼睛就会失明。现在就用激光的办法,透 过眼球焊到眼球后面 ,把这个视网膜和眼球焊起来 2 26 6- -2 27 7 。如下图所示： 图4-11.激光焊接加工心脏起搏器 4 4. .3 3. .激激光光打打孔孔 4.3.1 激光打孔的原理 激光打孔实质上是把激光光束聚焦在工件上，使光能转变为热能的 一种热加工方法。 激光束是一种在时间上和空间上高度集中的光子流束， 其发散角

48、极小、聚焦性能良好， 采用光学聚焦系统， 可以将激光束会聚 到微米量级的极小范围内，其功率密度可高达，当这种微 2158 1010cmw 细的高能激光束照射到工件上时， 由于这种高强热源对材料加热的结果， 可使得照射区内的温度瞬时上升到一万度以上，从而引起被照射区内的材料 瞬时熔化并大量汽化蒸发，气压急剧上升，高速气流猛烈向外喷射，在照射 点上立即形成一个小阻坑 2 28 8 。 其具体过程是一定能通量密度的激光脉冲辐射对工件材料的作用过程， 也就是材料的熔化和气化以及部分材料以固相形式抛出。当辐射脉冲作 用一开始，就出现蒸气相的飞出，具有喷射流的特性，以后随着孔径、 深度的增加，飞戮物中材料

49、熔化占大部分，这个熔化液体物质在孔的侧 壁和底部形成，并且被蒸气的剩余压力排挤出来。当脉冲临近结束时， 由于激光能通最密度的降低而使飞溅物的排出量减少，能通量密度进一 步降低，一导致飞截物中液相占优势，当能通量密度接近材料开始破坏 的同值时，仅形成表面烙化。一个激光脉冲结束后，工件形成一凹坑， 激光脉冲连续作用，凹坑逐渐加深加大，到适当时间，小孔就形成了 2 29 9 。 如图： 图 4-12.激光打孔几何原理图 4.3.2 激光打孔的分类 激光打孔有很多种形式，其类型可分为复制成形法和轮廓成形法： 1.复制成形法 顾名思义，复制成形法是控制激光束的形状进行加工，所得孔的形状与 光束相似。 激

50、光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，在和 辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相对位移。复制法包括单脉 冲和多脉冲。目前一般采用多脉冲法，其特点是可使工件上能量的横向扩散 减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够 的热量沿着孔的轴向扩散，而不只被材料表面吸收。 2 2、轮廓成形法 轮廓成形法是采用逐点挖坑，分层去除的方式进行加工。工件上打孔的 形状是由激光束和工件相对位移的轨迹逐层形成的。用轮廓迂回法加工时， 激光器既可以在脉冲状态下也可以在连续状态下工作。用脉冲方式时，由于 孔以一定的位移量连续的彼此迭加，从而形成一个连续的轮廓。采用轮廓加 工，

51、可把孔扩大成具有任意形状的横截面。 如图所示： 图 4-13.激光打孔加工出来的轮廓 4.3.3 激光打孔的特点 激光打孔技术与机械钻孔、电火花加工等常孔打孔手段相比，具有显著 的优点： 1.激光打孔速度快，效率高，经济效益好。由于激光打孔是利用高能激 光束对材料进行瞬时作用，再与高精度的机床及控制系统配合，通过为处理 机进行程控，可以实现高效率打孔。 2.激光打孔可获得大的深径比。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加 工难度的一个重要指标。用激光束打孔，激光束参数更便于优化，所以可获 得比电火花、机械打孔大的多深径比。 3.激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。高能量激光束打孔不受 材料的硬度

52、、刚性、强度和脆性等机械性能限制。金属材料和一般难以加工 的非金属材料都可以用激光打孔。如图所示，激光在布料上加工： 图4-14.激光加工的布料 4.激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。激光打孔机可以和自动 控制系统及微机配合，使得激光打孔过程可以准确无误的复成千上万次。 如图所示： 图4-15.激光加工的细微孔群 5.激光打孔无工具损耗。 6.因为激光打孔为无接触加工， 所以没有机械钻打微孔时易断钻头的 问题。 7.用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。对于机械打孔和电火花打 孔这类接触打孔来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜面上打小孔是极其困难 的。激光却特别适合于加工与工件表面呈角的小孔

53、，可以在难加工 906 材料上打斜孔 3 30 0- -3 31 1 。如下图所示： 图 4-16 激光在柱面上加工的孔 4.3.3 激光打孔的应用 激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，其空间控制性 和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都 很大，因此特别适用于自动化加工。 传统加工中 ，在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆 的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等，用常规的机械加工方法无法实 现，激光束的瞬时功率密度高达 非常高，故可以 可在短时间内将材料加热 到熔点或沸点，可以很容易地在上述材料上实现打孔 3 32 2- -3 33

54、3 。如下图，激光 在蓝宝石表面打孔示意图： 图 4-17.激光在蓝宝石表面打孔 4.4 本章小结 本章系统的阐述了激光在加工中的应用，主要包括激光切割、焊接、打 孔，从原理到工业方法以及应用中的特点，再到现实中的具体应用，全面的 介绍了激光与物质的相互作用在工业加工中的应用。 第第 5 5 章章 总总结结与与展展望望 5.1 课题的总结 激光加工技术是现代工业中应用非常广泛的一项加工技术，激光加工技 术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切 割、焊接、打孔等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽 车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对

55、提高产品 质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作 用。因此，本文重点选择了三个方面重点阐述了激光在焊接、切割、打孔方 面的应用，并简要的阐述了激光与物质作用的物理原理，以及激光与物质作 用过程中产生的热应力和因而导致的材料应力损伤；本课题的主要研究工作： 1.研究并学习激光与物质相互作用的书籍与文献，掌握并整理激光与物 质相互作用的物理原理。 2.研究并学习激光与物质作用的热应力的书籍与文献，掌握原理，并对 工业加工中出现的应力损伤问题加以概括。 3.学习分析激光加工在现实中的应用，主要对激光切割、焊接、打孔等 工业上的应用进行系统的归纳总结。 4.将所收集的资料文

56、献和学习结果进行系统的分析，完成论文的归纳总 结工作。 5.2 课题的展望 鉴于激光本身 具有单色性、相干性和平行性 的特点，特别适用于材料 加工，研究激光在各个领域的应用就具有非常重要的意义,然而本课题只是 从本人所读专业角度来研究的，难免有些不足之处，实际上激光加工技术是 涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究可分 为激光加工体系（包括激光器、导光体系、加工机床、控制体系及检测体系） 和激光加工工艺（包括切割、焊接、打孔、打标、划线、微调等各种加工工 艺）两个领域，如果能从多个角度来研究，其结果就会更全面，也更能准确 地理解激光在现代加工业中不可替代的分量。 致谢

57、在此，首先要感谢我尊敬的指导老师 刘剑老师，本文是在 刘老师的悉 心指导下完成的。在毕业设计期间， 刘老师给予了我很大的帮助和教导。 从论文的选定到实验研究，从资料收集到方案确定，刘老师都给了我大量 的中肯的建议和意见，正是由于 刘老师的悉心指导，我的毕业设计得以顺利 完成。在此表达我对 刘剑老师的感激之情。 我还要感谢在四年大学学习生涯中，传授我知识的每一位老师，是你们 教会了我很多知识和做人的道理，正是你们的言传身教，在一定意义上帮助 我顺利完成了本次毕业设计。再次向全体老师表示衷心的谢意！ 同时，我还得感谢在我的大学四年求学中，传授给我知识的老师们，正 是你们无私的传道授业解惑精神，使我

58、有了良好的专业知识，从而也使我的 毕业设计得以顺利完成。 我还要感谢在我的毕业设计过程中，帮助我的同学以及室友们，正是通 过问题的交流探讨，使我遇到的困惑得到明朗。以及室友们共同营造的毕业 设计的积极氛围，在一定程度上也使得我的毕业设计顺利完成。 最后，谨向百忙之中审阅论文和参加答辩的每一位老师表示由衷的谢意！ 参参考考文文献献： 1洪蕾，吴刚，激光制造技术基础 m，北京：人民交通出版社， 2008.2,1-20 2史玉升，激光制造技术 m，北京：机械工业出版社， 2011.12,8-9 3左铁钏，21 世纪的先进制造 :激光技术与工程 m，北京：科学出版社， 2007,1-8 4陈继民，徐向

59、阳，肖荣诗，激光现代制造技术 m，北京：国防工业出 版社，2007.10,8-9 5（德）浦诺威（ poprawe,r.）著，张冬云译，激光制造工艺：基础、展 望和创新应用实例 m，北京：清华大学出版社， 2008.4，115-117 6曹凤国，激光加工技术 m，北京：北京科学技术出版社， 2007.1,1-6 7刘顺洪，激光制造技术 m，武汉:华中科技大学出版社， 2011.6，61- 97 8黄卫东，激光立体成型 m，西安：西北工业大学出版社， 2007.11,244-283 9（日）金岡優， 激光加工m，北京，机械工业出版社， 2005.7,22-25 10虞刚，虞和济，集成化激光智能加

60、工工程 m，北京：冶金工业出版社， 2002.1，96-103 11 王扬,吴雪峰,张宏志.激光加热辅助切削技术 j.航空制造技术 , 2011,(第 8 期). 12谢翼江，郭劲，刘喜明，激光加工技术及其应用 m，北京：科学出版 社，2012,106-163 13 郭伟强,欧玉峰.浅谈激光焊接技术及其应用 j.科协论坛(下半月), 2011,(第 4 期). 14关振中，激光加工工艺手册 m，北京：中国计量出版社， 2007.10,122-146 15 vicente afonso ventrella;jos roberto berretta;wagner de rossi. pulsed